基于核心素養(yǎng)的高中物理實驗教學(xué)設(shè)計

摘 要：本文以 “用單擺測量重力加速度”實驗為例，提出要有針對性地設(shè)置問題鏈，創(chuàng)設(shè)問題情境，提升學(xué)生的物理觀念，促進學(xué)生科學(xué)思維的提升，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任，從而將培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的這一根本任務(wù)落實到實際教學(xué)中。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng)；科學(xué)探究；科學(xué)思維；問題鏈；單擺

1 引言

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）提出：“必須把培養(yǎng)物理學(xué)科核心素養(yǎng)作為物理教學(xué)的重要目標(biāo)，將‘物理觀念’‘科學(xué)思維’‘科學(xué)探究’‘科學(xué)態(tài)度與責(zé)任’等物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)落實于教學(xué)活動中。”^［1］筆者提出在物理課堂教學(xué)中以“情境教學(xué)”為切入點，以問題為線索，層層遞進，形成思維進階，使學(xué)生始終處于積極參與學(xué)習(xí)的狀態(tài)中，盡量讓學(xué)生從多層次、廣角度、全方位去認(rèn)識物理規(guī)律，這樣既展現(xiàn)物理學(xué)自身的魅力，又切合素質(zhì)教育對物理教學(xué)的要求。本文以“用單擺測量重力加速度”實驗這一節(jié)課為例，闡述如何有針對性地設(shè)置問題鏈，創(chuàng)設(shè)問題情境，落實核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

2 基于核心素養(yǎng)的高中物理實驗教學(xué)設(shè)計

2.1 教學(xué)內(nèi)容分析

“用單擺測量重力加速度”實驗是人教版高中物理教材選擇性必修第一冊第二章“機械振動”第5節(jié)的內(nèi)容，也是高中階段精度較高的實驗。教材中先介紹了實驗思路，依據(jù)周期公式讓學(xué)生“想一想，要根據(jù)上式測量重力加速度，需要測量哪些物理量？應(yīng)該如何設(shè)計實驗裝置、選擇實驗器材？怎樣才能減小實驗誤差？”接著，教材中進一步描述了實驗裝置的設(shè)計和物理量的測量方法，并提出常用的數(shù)據(jù)分析方法。教材對減小實驗誤差非常重視，在實驗裝置設(shè)計上引導(dǎo)學(xué)生思考如何減小實驗誤差；在“思考與討論”中要求學(xué)生討論如何選擇擺線和擺球，以及選用哪種擺線的懸掛方式；在擺長、周期的測量環(huán)節(jié)，分別提供兩種測量方式進行對比，引導(dǎo)學(xué)生在討論后根據(jù)測量需要進行選擇；在數(shù)據(jù)分析時引導(dǎo)學(xué)生采取多種方法處理數(shù)據(jù)。

2.2 學(xué)情分析

學(xué)生已掌握單擺的概念和單擺的周期公式等物理知識，能完成實驗操作和數(shù)據(jù)處理，但在提高實驗精度方面經(jīng)驗不足。學(xué)生知道“平均值法”能減小偶然誤差，但對用圖像法處理實驗數(shù)據(jù)還不夠熟悉。

2.3 待解決的學(xué)科問題

本節(jié)課待解決的學(xué)科問題如下。

（1）如何測量單擺的擺長？

（2）如何測量單擺的周期？

（3）如何處理實驗數(shù)據(jù)？

（4）如何減小實驗誤差？

2.4 教學(xué)目標(biāo)

（1）物理觀念：讓學(xué)生知道單擺做簡諧運動，掌握利用單擺的周期公式推導(dǎo)測量重力加速度的公式。

（2）科學(xué)思維：讓學(xué)生通過分析如何選擇擺線、擺球，理解把實際的擺看成理想化的單擺模型的條件；通過具體的實驗操作，掌握轉(zhuǎn)換法、累積法、圖像法等科學(xué)思維方法。

（3）科學(xué)探究：引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實驗方案，選擇實驗器材，完善實驗步驟，完成實驗操作，并進行實驗數(shù)據(jù)處理和誤差分析，得出實驗結(jié)論，通過合作交流，培養(yǎng)團隊精神。

（4）科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真、實事求是、持之以恒的科學(xué)態(tài)度。

2.5 教學(xué)重難點

學(xué)會單擺擺長與周期的測量，掌握減小實驗誤差的方法。

2.6 教學(xué)用具

單擺實驗裝置（鐵架臺，夾子，中心有孔的小鋼球、塑料球各1個，長約1m的細繩、彈性繩各1個，刻度尺，游標(biāo)卡尺，停表），希沃平臺，傲軟投屏軟件，帶phyphox軟件的手機等。

2.7 教學(xué)思路

本節(jié)課設(shè)計的教學(xué)思路如圖1所示。

2.8 教學(xué)過程

2.8.1 視頻引入，激發(fā)興趣

教師播放太空授課視頻，學(xué)生認(rèn)真觀看。

師：2021年12月9日，三位“太空教師”王亞平、翟志剛、葉光富在我國的空間站上首次進行太空授課，通過這次太空授課，中國向國際社會展示了我國的科學(xué)技術(shù)和綜合國力，相信中國人探索的腳步會進入更遠的深空。

師：在太空中能否做單擺實驗？

生：因為物體在太空中處于完全失重狀態(tài)，物體失去回復(fù)力，所以無法做單擺實驗。

師：在月球上能否做單擺實驗?zāi)兀?/p>

生：能，物體在月球上也受引力作用。

設(shè)計意圖：讓課堂迅速活躍，吸引學(xué)生注意力、激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣，形成良好的課堂氛圍。

2.8.2 提出學(xué)科任務(wù)

教師布置本節(jié)課的學(xué)科任務(wù)。

師：重力加速度對地球物理學(xué)、航天技術(shù)、生產(chǎn)生活有十分重要的意義。本節(jié)課老師給大家布置一個任務(wù)：精確測量本地的重力加速度。

設(shè)計意圖：讓學(xué)生知道重力加速度是十分重要的物理量，明確學(xué)習(xí)任務(wù)，即精確測量本地的重力加速度，激發(fā)學(xué)生探究的欲望。

2.8.3 溫故知新，點撥思路

問題1 根據(jù)以往所學(xué)的知識，我們?nèi)绾螠y量重力加速度呢？

師：前面我們學(xué)過惠更斯推導(dǎo)出的單擺周期公式（與學(xué)生一起書寫表達式），他用一個單擺測出了巴黎的重力加速度。我們也可以通過單擺來測量本地的重力加速度。

師：惠更斯怎么利用單擺的周期公式測得巴黎的重力加速度的呢？

讓學(xué)生思考、推導(dǎo)測量重力加速度的表達式：由T＝2πLg，得g＝4π2LT2。

師：請大家思考，用單擺測量重力加速度，需要測量哪些物理量呢？

生：需要測量單擺的擺長L和周期T。

設(shè)計意圖：引導(dǎo)學(xué)生利用單擺周期公式推導(dǎo)測量重力加速度的公式，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)推理能力。

2.8.4 創(chuàng)設(shè)問題鏈，完成實驗操作

（1）分析討論，猜想與假設(shè)

問題2 為完成實驗需要選擇哪些器材？

請學(xué)生在提供的器材（鐵架臺，夾子，中心有孔的小鋼球、塑料球，彈性繩，細繩，停表，刻度尺，游標(biāo)卡尺）中選擇所需的器材。小組代表說明選擇擺球及擺線的理由（實驗時應(yīng)該選擇小鋼球和細繩）。

（2）設(shè)計實驗，制定計劃

根據(jù)教師課前設(shè)定的問題，學(xué)生分組討論確定實驗順序，并寫出實驗步驟（要求指明使用的器材、方法和公式），設(shè)計統(tǒng)計數(shù)據(jù)的表格。

設(shè)計意圖：學(xué)生通過分析器材的選擇，建構(gòu)單擺這個理想模型。

問題3 如何利用所選的器材完成實驗?zāi)兀?/p>

子問題1 先組裝實驗裝置還是先測量擺長？擺長怎么測量？

子問題2 仔細觀察圖2中細繩上端的兩種懸掛方式，你覺得哪種方式較好？為什么？

甲

乙

子問題3 單擺運動有什么條件？如何測量單擺周期？

子問題4 你認(rèn)為擺球到達圖3中哪個位置開始計時比較好？

甲 小球到達最高點時

乙 小球到達最低點時

（3）小組進行實驗，完成已定任務(wù)

分組實驗（5～6人一組），有利于學(xué)生分工協(xié)作、獲取信息、討論、處理問題。教師巡視并及時協(xié)助學(xué)生解決實際問題，啟發(fā)學(xué)生提出新的問題，激發(fā)學(xué)生進行更深層次的思考。

設(shè)計意圖：通過子問題鏈，引導(dǎo)學(xué)生科學(xué)地完成實驗操作，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。

2.8.5 數(shù)據(jù)處理，交流反思

學(xué)生進行數(shù)據(jù)處理，教師選擇完成效果較好的小組進行展示（將學(xué)生實驗探究結(jié)果投屏到大屏幕，小組成員共同分享實驗過程）。

實驗結(jié)果：9.73m/s2，與本地實際重力加速度的值9.789m/s2非常接近，較好地完成了學(xué)科任務(wù)。

設(shè)計意圖：通過數(shù)據(jù)處理，讓學(xué)生體驗完整的科學(xué)探究過程；通過視頻展示，讓學(xué)生體驗完成任務(wù)的喜悅。

問題4 如何減小實驗誤差？

子問題1 重力加速度的測量值與真實值是否存在偏差？

師：原則上只要在同一地點進行實驗都應(yīng)得到相同結(jié)果，但在實際操作過程中一些不可避免的因素會影響實驗結(jié)果的精確度。為提高實驗結(jié)果的精確度，減小各種不可避免因素給實驗結(jié)果帶來的影響^［2］，從下面幾個方面進行探究分析。

子問題2 實驗誤差來源于哪里？

子問題3 實驗中需要注意哪些事項來減小誤差？

各小組積極討論、總結(jié)、發(fā)言，最后形成結(jié)論。

誤差來源1：系統(tǒng)誤差（懸點是否固定、擺球是否可以看作質(zhì)點、球和繩是否符合要求、是否形成了圓錐擺、擺角是否很小等）。

誤差來源2：單擺擺長和周期的測量誤差。

誤差來源3：實驗數(shù)據(jù)處理過程中產(chǎn)生的誤差。

設(shè)計意圖：通過誤差分析，培養(yǎng)學(xué)生的質(zhì)疑創(chuàng)新思維和精益求精的科學(xué)精神。

2.8.6 設(shè)計創(chuàng)新實驗，升華課堂教學(xué)

問題5 有沒有更快捷和更精確的方案來測量重力加速度？

師：我們還可以利用手機軟件phyphox來測重力加速度。所需器材：安裝有phyphox的手機、縫紉線、固定桿、家用卷尺。

生：什么是phyphox？

師：智能手機軟件phyphox是一款功能強大的物理實驗輔助軟件，集合了多種傳感器的數(shù)據(jù)測量功能。^［3］phyphox是一個物理實驗工坊，利用手機傳感器，可以即時顯示有關(guān)物理數(shù)據(jù)，接下來我們開始實驗。

步驟1 按如圖4所示將裝置固定。

步驟2 量取擺長，在phyphox界面點擊實驗“力學(xué)—擺—g”，測量本地重力加速度g。

步驟3 改變擺長，重復(fù)步驟2。

步驟4 測量三組數(shù)據(jù)并求平均值。

得重力加速度g＝9.763m/s2。

設(shè)計意圖：通過創(chuàng)新實驗，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力和精益求精的科學(xué)態(tài)度。

3 結(jié)語

本節(jié)課圍繞《課程標(biāo)準(zhǔn)》的要求，提出要有針對性地設(shè)置問題鏈，創(chuàng)設(shè)問題情境，增強學(xué)生的問題意識，激發(fā)學(xué)生興趣。通過任務(wù)驅(qū)動，引導(dǎo)學(xué)生進行實驗探究，促進科學(xué)思維能力的提升，培養(yǎng)科學(xué)探究能力和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任，從而使物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)落到實處。

參考文獻

［1］中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）［M］.北京：人民教育出版社，2020：50.

［2］吉恒.單擺測量重力加速度實驗的誤差分析［J］.物理教師（高中版），2010，31（9）：19-20.

［3］楊夢琪.基于phyphox開展家庭物理實驗的研究［J］.物理通報，2022（S2）：115-118.